Почему литий-ионные пусковые автомобильные аккумуляторы не получили широкого распространения?

Итак, когда мы говорим об автомобильных аккумуляторах, давайте уточним, что речь идет о пусковом аккумуляторе — жизненно важном элементе, который обеспечивает запуск и подачу энергии для вашего доброго старого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Эти аккумуляторы используются дополнительно к крупной тяговой батарее, которую электромобили применяют для обеспечения как запаса хода, так и мощности. Несмотря на то, что технология Li-Ion используется всё чаще в широком спектре применений, она остаётся довольно необычной в контексте пусковых автомобильных аккумуляторов. В данной статье рассматривается общая картина этого явления, анализируются технологические, экономические и логистические аспекты, которые препятствуют повсеместному внедрению литий-ионных аккумуляторов в этой области.

Какова функция пусковых автомобильных аккумуляторов?

Тип стартерных аккумуляторов, которые устанавливаются в моторных транспортных средствах, предназначен для кратковременной отдачи мощности — достаточной лишь для запуска двигателя и начала процесса горения. Кроме того, они должны работать на пике своих возможностей независимо от условий: ледяных зим или жарких лет, а также согласованно взаимодействовать с электроникой автомобиля. Запуск двигателя, в отличие от аккумуляторов электромобилей, оптимизированных для высокой плотности энергии (для дальних поездок), предъявляет совершенно иные требования: высокую плотность мощности и длительный срок службы при циклах высокой мощности. Этот момент имеет большое значение, поскольку именно он задаёт эталон, с которым будет сравниваться любая конкурирующая технология аккумуляторов, претендующая на выполнение таких функций. Технология литий-ионных аккумуляторов в целом является зрелой, однако сразу сталкивается с целым рядом проблем при использовании в данных приложениях, о которых мы расскажем в следующих разделах.

Технологические и эксплуатационные ограничения

Используется литий-ионный аккумулятор, который по сравнению с традиционным свинцово-кислым имеет более высокую плотность энергии и меньший вес. Однако для многих применений эти преимущества не так значительны. Другой вопрос — как они работают при высоких и низких температурах. В холодном климате литий-ионные элементы могут быть проблемными, поскольку обеспечивают лишь определённое количество пусковых ампер, которых может быть недостаточно для запуска двигателя. Напротив, свинцово-кислые аккумуляторы хорошо работают в таких условиях и всегда способны подавать питание, даже если становится холодно. Кроме того, вышеупомянутый литий-ионный аккумулятор требует сложного контроля напряжения для предотвращения перезаряда и/или устройств, препятствующих чрезмерному разряду, когда он заряжается с помощью средств зарядки в транспортном средстве, где это не предусмотрено, например, потому что данное транспортное средство нуждается лишь в гораздо более простых детекторах для свинцово-кислых аккумуляторов. Литий-ионные батареи также необходимо тщательно контролировать и управлять ими, иначе они могут быть повреждены или выведены из строя, что добавляет ещё больше сложности и затрат.

Экономические и безопасные аспекты

Цена — еще одна проблема литий-ионных пусковых аккумуляторов. Их производство значительно дороже, чем производство свинцово-кислых аккумуляторов, которым уже на протяжении десятилетий способствует совершенствование технологий и масштабирование производства. Однако даже при такой цене свинцово-кислые аккумуляторы едва соответствуют требованиям большинства конечных пользователей и производителей. Безопасность является еще одним важным фактором. Литий-ионный аккумулятор может представлять опасность или быть небезопасным в случае прокола, перегрева или короткого замыкания. Это также одна из причин, по которой, несмотря на то что они далеки от абсолютной безопасности, свинцово-кислые аккумуляторы являются более безопасными/стабильными в тяжелых (автомобильных) условиях эксплуатации. По этим причинам литий-ионные аккумуляторы плохо подходят для массового применения в качестве пусковых с точки зрения экономики и безопасности.

Распространенность свинцово-кислых аккумуляторов

Существует причина, по которой свинцово-кислая батарея используется уже более 100 лет в качестве основного источника запуска в автомобилестроении. Они очень надежны и могут обеспечивать высокий ток, необходимый для запуска двигателя, без значительного износа при разрядке. Более того, технология является зрелой; у неё уже существуют процессы производства и переработки, позволяющие возвращать большую часть материалов в производственный цикл, что, согласно опубликованным исследованиям, делает её устойчивой. К этому также добавляется тот факт, что свинцово-кислые аккумуляторы соответствуют существующей архитектуре транспортных средств и показывают, что они не требуют кардинальных изменений в таких системах, как зарядные станции или электрическая инфраструктура. Конечно, простота их интеграции в другие технологии и производственные мощности в сочетании с низкой стоимостью делает их очевидным выбором. В конечном счете, автомобильная промышленность мало выигрывает от перехода на литий-ионные аккумуляторы для запуска, особенно когда хорошо отработанная свинцово-кислая технология обеспечивает потребителям спокойствие.

Перспективы на будущее и тенденции отрасли

В будущем всё это может измениться для стартерных аккумуляторов, однако ожидается, что эти изменения будут незначительными. Тем не менее, с появлением новых разработок в химии литий-ионных элементов, включая усовершенствования различных модификаций производных фосфата лития-железа, делающих их безопаснее и/или экономически выгоднее, эти ограничения становятся более управляемыми. Однако технология должна будет развиваться, а отраслевые практики и потребители — адаптироваться к ней, отмечают наблюдатели за рынком. По мере того как автомобили получают всё больше электронных функций и переходят к гибридизации, спрос на стартерные аккумуляторы может трансформироваться, потенциально открывая путь для литий-ионных решений. Однако в краткосрочной перспективе свинцово-кислые аккумуляторы останутся ведущей технологией, поскольку они поддерживаются сложившейся инфраструктурой и обладают экономическими преимуществами. Переход к новым технологиям будет представлять собой смесь изобретательности и функциональной необходимости.

В целом, литий-ионные автомобильные аккумуляторы не получили широкого распространения в системах старт-стоп из-за ограничений по производительности и стоимости, проблем с безопасностью, а также из-за крайне сильных позиций устоявшейся свинцово-кислой технологии. Литий-ионные технологии представляют перспективу для других применений, но пока практически не используются в традиционном запуске автомобилей. Эти обстоятельства объясняют, почему инновации продолжают развиваться в других секторах, тогда как в автомобильной промышленности отдают предпочтение проверенным решениям.